O Código do DNA no Núcleo Celular é Transferido para o Código de RNA, no Citoplasma Celular — o Processo de Transcrição

sintetizada pela célula. Observe que, na Figura 3-6, a fita superior de DNA,

lendo-se da esquerda para a direita, temos código genético GGC, AGA,

CTT, com os tripletos sendo separados, uns dos outros, pelas setas.

Seguindo-se esse código genético, nas Figuras  3-7  e 3-8, vê-se que esses

três tripletos são, respectivamente, responsáveis pela inserção sucessiva dos

três aminoácidos — prolina, serina e ácido glutâmico — na molécula de

proteína em formação.

 

Figura 3-7. Combinação de nucleotídeos da ribose com fita de DNA para formar molécula de RNA que carrega o código genético do gene para o citoplasma. A enzima RNA polimerase se move ao longo da fita de DNA e forma a molécula de RNA.

 

O CÓDIGO DO DNA NO NÚCLEO CELULAR É

TRANSFERIDO PARA O CÓDIGO DE RNA, NO

CITOPLASMA CELULAR — O PROCESSO DE

TRANSCRIÇÃO

 

Pelo fato de o DNA estar localizado no núcleo da célula e a maioria das

funções da célula ser realizada no citoplasma, deve haver algum modo pelo

qual os genes do núcleo controlem as reações químicas do citoplasma. Esse controle envolve a intermediação de outro tipo de ácido nucleico, o RNA,

cuja formação é controlada pelo DNA do núcleo. Como mostra a Figura 3-

7, o código é transferido para o RNA; esse processo é chamado transcrição.

O RNA, por sua vez, se difunde do núcleo através dos poros nucleares para

o compartimento citoplasmático, onde controla a síntese de proteínas.

 

O RNA É SINTETIZADO NO NÚCLEO A PARTIR DE UM

MOLDE DE DNA

 

Durante a síntese do RNA, as duas fitas da molécula de DNA se separam

temporariamente; uma das fitas é usada como molde para a síntese da

molécula de RNA. Os tripletos de código no DNA são transcritos para

tripletos do código complementar (chamados códons) no RNA. Esses

códons, por sua vez, controlarão a sequência de aminoácidos na proteína a

ser sintetizada no citoplasma celular.

 

Blocos Básicos de Construção de RNA. Os blocos básicos de

construção do RNA são praticamente os mesmos dos de DNA, exceto por

duas diferenças. A primeira é que o açúcar desoxirribose não é usado na

formação do RNA. Em seu lugar está outro açúcar, de composição

ligeiramente diferente, a ribose, que contém íon hidroxila adicional ligado à

estrutura do anel de ribose. A segunda é que a timina é substituída por outra

pirimidina, a uracila.

 

Formação dos Nucleotídeos de RNA. Os blocos básicos da

construção de RNA formam nucleotídeos de RNA, exatamente como

descrito antes para a síntese de DNA. Aí novamente quatro nucleotídeos

distintos são usados na formação do RNA. Esses nucleotídeos contêm as

bases adenina, guanina, citosina e uracila. Observe que são as mesmas

bases do DNA, exceto pela uracila no RNA e a timina no DNA.

“Ativação” dos Nucleotídeos de RNA. O próximo passo na síntese do

RNA é a “ativação” dos nucleotídeos de RNA por uma enzima, a RNA

polimerase. Essa ativação ocorre pela adição de dois radicais de fosfato

extra para cada nucleo tídeo, para formar trifosfatos (mostrados na Figura 3-

7 pelos dois nucleotídeos de RNA na extremidade direita, durante a

formação da cadeia de RNA). Estes últimos dois fosfatos combinam-se com

o nucleotídeo por ligações de fosfato de alta energia, derivadas do ATP da

célula.

O resultado desse processo de ativação é que grandes quantidades de

energia do ATP estão disponíveis em cada nucleotídeo. Essa energia é usada

para promover as reações químicas que adicionam cada novo nucleotídeo

ao final da cadeia de RNA.

 

MONTAGEM DA CADEIA DE RNA COM OS

NUCLEOTÍDEOS ATIVADOS USANDO A FITA DE DNA

COMO MOLDE — O PROCESSO DE TRANSCRIÇÃO

 

Como mostrado na Figura 3-7, a montagem da molécula de RNA se dá sob

a influência de uma enzima, a RNA polimerase. Ela é uma proteína grande

que tem muitas das propriedades funcionais necessárias para a formação da

molécula de RNA. São elas:

1. Na fita de DNA, no início de cada gene que será transcrito, há uma

sequência de nucleotídeos chamada promotor. A RNA polimerase tem

estrutura complementar apropriada, que reconhece esse promotor e se

liga a ele. Esse é o passo essencial para se iniciar a formação da

molécula de RNA.

2. Após se ligar ao promotor, a RNA polimerase provoca o

desenrolamento de cerca de duas voltas da hélice de DNA e a separação,

na região desenrolada, das duas fitas.

3. Então, a polimerase se move ao longo da fita de DNA, desenrolando

temporariamente e separando as duas fitas de DNA a cada etapa de seu

movimento. Conforme cada estágio do movimento, a polimerase

adiciona novo nucleotídeo ativado ao final da cadeia de RNA em

formação, segundo os seguintes passos:

a. Primeiro, ela forma a ponte de hidrogênio entre a base final no

filamento de DNA e a base do nucleo tídeo de RNA no nucleoplasma.

b. Então, um por vez, a RNA polimerase cliva dois dos três radicais de

fosfato de cada um dos nucleo tídeos de RNA, liberando grande

quantidade de energia das ligações de fosfato; essa energia é usada para

formar a ligação covalente entre o fosfato restante no nucleotídeo e a

ribose no final da cadeia de RNA em formação.

c. Quando a RNA polimerase atinge o fim do gene de DNA, ela encontra

nova sequência de nucleotídeos de DNA chamada sequência de

terminação de cadeia; esta faz com que a polimerase e a recém-

formada cadeia de RNA se separem da fita de DNA. A polimerase,

então, pode ser reutilizada, sucessivamente, para formar outras cadeias

de RNA.

d. Conforme o novo filamento de RNA é formado, as fracas pontes de

hidrogênio com a fita de DNA se rompem, pois o DNA tem grande

afinidade para se religar à fita complementar de DNA. Assim, a cadeia

de RNA se solta do DNA e é liberada no nucleoplasma.

Dessa forma, o código presente no filamento de DNA é transmitido de

forma complementar para a cadeia de RNA. As bases de nucleotídeos de

ribose sempre se combinam com as bases de desoxirribose como se segue:

 

Base no DNA Base no RNA

guanina citosina

citosina guanina

adenina uracila

timina adenina

 

Vários Tipos Diferentes de RNA. Conforme os avanços em pesquisas

sobre o RNA, foram descobertos muitos tipos de RNA diferentes. Alguns

tipos de RNA estão envolvidos na síntese de proteínas, ao passo que outros

tipos atuam com funções reguladoras dos genes ou estão envolvidos na

modificação pós-transcricional do RNA. As funções de alguns tipos de

RNA, principalmente daqueles que não parecem codificar proteínas, ainda

são enigmáticas. Os seguintes seis tipos diferentes de RNA realizam

funções distintas e independentes na síntese de proteínas:

1. RNA mensageiro precursor (pré-mRNA), é uma grande e imatura fita

única de RNA que é processada no núcleo para formar RNA mensageiro

(mRNA) maduro. O pré-RNA inclui dois tipos diferentes de segmentos

denominados íntrons, que são removidos por um processo que recebe o

nome de splicing, e éxons, que se conservam no mRNA final.

2. RNA nuclear pequeno (npRNA), que dirige o splicing de pré-mRNA

para formar mRNA.

3. RNA mensageiro (mRNA) que leva o código genético para o citoplasma,

para controlar o tipo de proteína formada.

4. RNA de transferência (tRNA) que transporta os aminoácidos ativados

para os ribossomos; os aminoácidos serão utilizados na montagem da

molécula de proteína.

5. RNA ribossômico que, com cerca de 75 proteínas diferentes, forma os

ribossomos, as estruturas físicas e químicas nas quais as moléculas de

proteína são formadas.

6. MicroRNA (miRNA) que são moléculas de fita única de RNA de 21 a

23 nucleotídeos que regulam a transcrição gênica e a tradução.

RNA MENSAGEIRO — OS CÓDONS

As moléculas de RNA mensageiro são longas fitas únicas de RNA,

localizadas no citoplasma. Essas moléculas são compostas de várias

centenas a vários milhares de nucleotídeos de RNA em fitas não pareadas, e

contêm códons que são exatamente complementares aos tripletos de código

dos genes de DNA. A Figura 3-8 mostra um pequeno segmento de mRNA.

Seus códons são CCG, UCU e GAA. Esses são os códons para os

aminoácidos prolina, serina e ácido glutâmico. A transcrição desses códons

da molécula de DNA para a molécula de RNA é demonstrada na Figura 3-

7.

 

Figura 3-8. Parte de uma molécula de RNA mostrando três “códons” de RNA — CCG, UCU e GAA — que controlam a inserção dos aminoácidos prolina, serina e ácido glutâmico, respectivamente, à cadeia de RNA em formação.

 

Códons de RNA para os Diferentes Aminoácidos. A Tabela 3-

1 lista os códons de RNA para os 22 aminoácidos que formam as moléculas

de proteína. Observe que a maioria dos aminoácidos é representada por

mais de um códon; um dos códons corresponde ao sinal “comece a fabricar

a molécula de proteína”, e três códons representam a mensagem “pare de

produzir a molécula de proteína”. Na Tabela 3-1, esses dois tipos de códons

são chamados IC, que significa códon de “iniciação de cadeia” ou “início”,

e TC, que significa códon de “término de cadeia” ou “término”.

 

Tabela 3-1 Códons de RNA para Aminoácidos, para Iniciação e para Terminação

Aminoácido Códons de RNA

Ácido aspártico GAU GAC

Ácido glutâmico GAA GAG

Alanina GCU GCC GCA GCG

Arginina CGU CGC CGA CGG AGA AGG

Asparagina AAU AAC

Cisteína UGU UGC

Fenilalanina UUU UUC

Glicina GGU GGC GGA GGG

Glutamina CAA CAG

Histidina CAU CAC

Isoleucina AUU AUC AUA

Leucina CUU CUC CUA CUG UUA UUG

Lisina AAA AAG

Metionina AUG

Prolina CCU CCC CCA CCG

Serina UCU UCC UCA UCG AGC AGU

Tirosina UAU UAC

Treonina ACU ACC ACA ACG

Triptofano UGG

Valina GUU GUC GUA GUG

Iniciar (IC) AUG

Parar (TC) UAA UAG UGA

IC, iniciação de cadeia; TC, terminação de cadeia.

 

RNA DE TRANSFERÊNCIA — OS ANTICÓDONS

 

Outro tipo de RNA com papel essencial na síntese de proteínas é o RNA de

transferência (tRNA), pois ele transfere as moléculas de aminoácidos para as

moléculas de proteínas que estão em processo de síntese. Cada tipo de tRNA se liga, especificamente, a um dos 20 aminoácidos que serão

incorporados às proteínas. O tRNA, portanto, age como um carreador para

transportar o seu tipo específico de aminoácido para os ribossomos, onde as

moléculas de proteína estão se formando. Nos ribossomos, cada tipo

específico de tRNA reconhece um códon determinado no mRNA (descrito

adiante) e entrega o aminoácido no local adequado da cadeia da molécula

de proteína em formação.

O RNA de transferência, com apenas cerca de 80 nucleo tídeos, é uma

molécula relativamente pequena em comparação com o mRNA. Ele é

cadeia de nucleotídeos com dobras que lhe dão a aparência de folha de

trevo, conforme mostrado na Figura 3-9. Em uma extremidade da molécula

há sempre o ácido adenílico; o aminoácido transportado se liga a grupo

hidroxila da ribose do ácido adenílico.

Como a função do tRNA é levar o aminoácido específico à cadeia de

proteína em formação, é essencial que cada tipo de tRNA tenha

especificidade para determinado códon no mRNA. O código específico no

tRNA que permite que ele reconheça um códon específico é novamente um

tripleto de bases de nucleotídeos chamado anticódon. Esse anticódon se

localiza aproximadamente no meio da molécula de tRNA (mostrado na

parte inferior da configuração em forma de trevo na Figura 3-9). Durante a

formação da molécula de proteína, as bases do anticódon se ligam

frouxamente por pontes de hidrogênio com as bases do códon do mRNA.

Dessa forma, os respectivos aminoácidos são alinhados uns após os outros

ao longo da cadeia de mRNA, estabelecendo-se, assim, a sequência

adequada de aminoácidos na molécula de proteína em formação.

Figura 3-9. Fita de RNA mensageiro se move por dois ribossomos. Para cada “códon” que passa, um aminoácido é adicionado à crescente cadeia de proteína, que é mostrada no ribossomo à direita. A molécula de RNA de transferência transporta aminoácido específico à proteína em formação.

 

RNA RIBOSSÔMICO

O terceiro tipo de RNA na célula é o RNA ribossômico; ele representa

cerca de 60% do ribossomo. O restante do ribossomo é formado por

proteína; existem cerca de 75 tipos de proteínas que são tanto proteínas

estruturais quanto enzimas, necessárias para a síntese das moléculas de

proteína.

O ribossomo é a estrutura física no citoplasma na qual as moléculas de

proteína são realmente sintetizadas. Porém, ele sempre funciona em

associação com outros dois tipos de RNA: o tRNA, que transporta

aminoácidos para o ribossomo, para serem incorporados na molécula de

proteína em formação, e o mRNA, que fornece a informação necessária para

o sequenciamento dos aminoácidos, na ordem correta, para cada tipo

específico de proteína a ser produzido.

Assim, o ribossomo age como uma fábrica, na qual as moléculas de

proteína são formadas.

 

Formação dos Ribossomos no Nucléolo. Os genes para a formação

de RNA ribossômico estão localizados em cinco pares de cromossomos no

núcleo. Cada um destes cromossomos contém muitas duplicações desses

genes específicos, pois grandes quantidades de RNA ribossômico são

necessárias para a função celular.

À medida que o RNA ribossômico se forma, ele é acumulado no nucléolo,

estrutura especializada adjacente aos cromossomos. Quando grande

quantidade de RNA ribossômico é sintetizada, como ocorre em células que

produzem grande quantidade de proteína, o nucléolo é uma estrutura

grande, ao passo que, nas células que sintetizam poucas proteínas, o

nucléolo eventualmente nem é visto. O RNA ribossômico é especialmente

processado no nucléolo, onde se liga às “proteínas ribossômicas” para

formar produtos de condensação granular que são subunidades primordiais

dos ribossomos. Essas subunidades são então liberadas do nucléolo e

transportadas através dos grandes poros do envelope nuclear para quase

todas as partes do citoplasma. Depois de entrarem no citoplasma, as

subunidades são montadas para formar ribossomos maduros e funcionais.

Portanto, as proteínas são formadas no citoplasma da célula, e não no

núcleo celular, pois o núcleo não contém ribossomos maduros.

 

miRNA E RNA DE BAIXA INTERFERÊNCIA

 

Um quarto tipo de RNA na célula é o microRNA (miRNA). miRNA são

fragmentos curtos de fita única de RNA (21 a 23 nucleotídeos), que

regulam a expressão gênica (Fig. 3-10). Os miRNAs são decodificados do

DNA transcrito de genes, mas não são traduzidos em proteínas e, assim, são

comumente denominados RNA não codificado. Os miRNAs são transformados pela célula em moléculas que são complementares ao mRNA

e agem para diminuir a expressão gênica. A formação de miRNAs envolve

processamento especial de precursor primário mais longo dos RNAs,

denominado pri-miRNAs, que são os primeiros transcritos do gene. Os pri-

miRNAs são transformados, no núcleo da célula, pelo complexo

microprocessador em pré-miRNAs, que consiste em uma estrutura haste-

alça com 70 nucleotídeos. Esses pré-miRNAs são, então, posteriormente

transformados no citoplasma por uma enzima cortadora específica, que

ajuda a montar um complexo silenciador induzido por RNA (RISC) e gera

miRNAs.

Os miRNAs regulam a expressão gênica por se ligar à região

complementar do RNA e promovem repressão da tradução, ou degradação

do mRNA, antes que este possa ser traduzido pelo ribossomo. Acredita-se

que os miRNAs têm papel importante na regulação normal da função

celular, e alterações das funções do miRNA foram associadas às doenças,

como câncer e doenças cardíacas.

Outro tipo de miRNA é o RNA de baixa interferência (siRNA), também

chamado RNA silenciador ou RNA de pouca interferência. Os siRNAs são

moléculas curtas, de dupla fita de RNA, com 20 a 25 nucleotídeos de

comprimento, que interferem na expressão de genes específicos.

Geralmente, os siRNAs se referem a miRNAs sintéticos e podem ser

administrados para silenciar a expressão de genes específicos. Eles são

projetados para evitar a transformação nuclear pelo complexo

microprocessador e, após o siRNA entrar no citoplasma, ele ativa os

complexos silenciadores RISC, impedindo a tradução do mRNA. Os‐

siRNAs podem ser adaptados a qualquer sequência específica do gene. Por

conta disso, eles podem ser usados para impedir a tradução de qualquer

mRNA e, por consequência, a expressão por qualquer gene pelo qual a

sequência de nu cleo tídeo é conhecida. Alguns pesquisadores propuseram que os siRNAs podem se tornar úteis como ferramenta terapêutica, para

silenciar genes que contribuem na patofisiologia de doenças.

Figura 3-10. Regulação da expressão gênica por microRNA (miRNA). O miRNA primário (pri-miRNA), o primeiro a ser transcrito no gene processado no núcleo celular, pelo complexo microprocessador, são convertidos em pré-miRNA. Esses pré-miRNAs são então transformados no citoplasma, pela cortadora, enzima que ajuda a montar o complexo silenciador induzido por RNA (RISC) e gera miRNAs. Os miRNAs regulam a expressão gênica se ligando à região complementar do RNA e reprimindo tradução ou promovendo a degradação do RNA mensageiro (mRNA), antes que este possa ser traduzido pelo ribossomo.

 

FORMAÇÃO DE PROTEÍNAS NOS RIBOSSOMOS — O

PROCESSO DE TRADUÇÃO

 

Quando a molécula de mRNA entra em contato com um ribossomo, a fita

de RNA passa através do ribossomo, começando por uma extremidade

predeterminada, especificada por uma sequência de bases de RNA,

chamada códon de “iniciação de cadeia”. Então, como mostra a Figura 3-9,

enquanto o mRNA atravessa o ribossomo, a molécula de proteína é formada

— um processo chamado tradução. Assim, o ribossomo lê os códons do

mRNA, semelhante à “leitura” de fita por meio da cabeça de reprodução de

gravador. Então, quando o códon de “parada” (ou de “terminação de

cadeia”) passa pelo ribossomo, o fim da molécula de proteína é sinalizado e

a molécula é liberada no citoplasma.

 

Polirribossomos. Uma só molécula de mRNA pode formar moléculas de

proteína em vários ribossomos ao mesmo tempo, pois a extremidade inicial

do filamento de RNA pode passar para ribossomos sucessivos, depois de

deixar o primeiro, como mostrado na parte inferior esquerda das

Figuras  3-9 e 3-11. As moléculas de proteína estão em diferentes estágios

de desenvolvimento, em cada ribossomo. Consequentemente, agrupamentos

de ribossomos ocorrem com frequência, com 3 a 10 ribossomos

simultaneamente ligados a uma só molécula de mRNA. Esses

agrupamentos são chamados de polirribossomos.

É especialmente importante observar que o mRNA pode originar molécula

de proteína em qualquer ribossomo; isto é, não há especificidade dos

ribossomos para determinados tipos de proteína. O ribossomo é

simplesmente o local físico no qual as reações químicas ocorrem.

 

Figura 3-11. Estrutura física dos ribossomos e sua relação funcional com o RNA mensageiro, RNA de transferência e retículo endoplasmático durante a formação de moléculas de proteína.

 

Muitos Ribossomos Ligam-se ao Retículo Endoplasmático.

No Capítulo 2, foi observado que muitos ribossomos aderem ao retículo

endoplasmático. Essa ligação ocorre porque as extremidades iniciais de

muitas moléculas de proteí na em formação têm sequências de aminoácidos

que se ligam imediatamente a locais receptores específicos no retículo

endoplasmático; isso faz com que essas moléculas atravessem a parede e

entrem na matriz do retículo en do plasmático. Esse processo confere uma

aparência granular a essas partes do retículo onde as proteínas estão sendo

formadas e introduzidas na matriz do retículo.

A Figura 3-11 mostra a relação funcional do mRNA com os ribossomos e

o modo pelo qual estes se ancoram à membrana do retículo endoplasmático.

Observe o processo de tradução do mesmo filamento de mRNA ocorrendo em vários ribossomos ao mesmo tempo. Observe também as cadeias recém-

formadas de polipeptídios (proteína) atravessando a membrana do retículo

endoplasmático e entrando na matriz endoplasmática.

Deve-se observar que, exceto nas células glandulares, onde são formadas

grandes quantidades de vesículas secretórias contendo proteínas, a maioria

das proteínas sintetizadas pelos ribossomos é liberada diretamente no

citosol, em vez de no retículo endoplasmático. Essas proteínas são enzimas

e proteínas estruturais internas da célula.

 

Passos Químicos na Síntese de Proteínas. Alguns dos eventos

químicos que ocorrem na síntese da molécula de proteína são mostrados

na Figura 3-12. Essa figura mostra reações representativas para três

aminoácidos distintos, AA , AA e AA . Os estágios das reações são os 1 2 20

seguintes:

1. Cada aminoácido é ativado por processo químico, no qual o ATP se

combina com o aminoácido para formar o complexo monofosfato de

adenosina com o aminoácido, cedendo duas ligações de fosfato de alta

energia no processo.

2. O aminoácido ativado, com excesso de energia, combina-se com o

tRNA específico para formar o complexo aminoácido-tRNA e ao mesmo

tempo libera o monofosfato de adenosina.

3. O tRNA, que carrega o complexo de aminoácido, faz contato então com

a molécula de mRNA no ribossomo, onde o anticódon do tRNA se une

temporariamente ao códon específico do mRNA, assim alinhando o

aminoácido na sequência apropriada para formar a molécula de proteína.

Então, sob a influência da enzima peptidiltransferase (uma das proteínas

no ribossomo), são formadas ligações peptídicas entre os sucessivos

aminoácidos, com crescimento progressivo da cadeia de proteína. Esses

eventos químicos requerem energia de duas ligações adicionais de fosfato

de alta energia, totalizando quatro ligações de alta energia para cada aminoácido adicionado à cadeia de proteínas. Assim, a síntese de proteínas

é um dos processos que mais consomem energia na célula.

 

Figura 3-12. Eventos químicos na formação de uma molécula de proteína. AMP, monofosfato de adenosina; ATP, trifosfato de adenosina; tRNA, RNA de transferência.

 

Ligação Peptídica. Os sucessivos aminoácidos na cadeia de proteínas

combinam-se entre si segundo a reação típica: